Альтернативное состояние вещества нашли в корзинке

Гипотеза о новом магнитном состоянии вещества нашла долгожданное подтверждение в эксперименте

Плетенка кагоме дала название кристаллическим структурам с жидкими магнитными свойствами

Фотография: research.gov

Дмитрий Малянов

Гипотеза об альтернативном магнитном состоянии вещества — спиновой жидкости — нашла долгожданное подтверждение в эксперименте. Новое фундаментальное открытие может сыграть большую роль в исследовании высокотемпературной сверхпроводимости и разработке компьютерных процессоров нового типа.

Теория, сорок лет назад предсказавшая новое магнитное состояние вещества — спиновую жидкость — нашла долгожданное подтверждение в эксперименте. Теперь к двум известным «классическим» типам магнетизма (ферромагнетизму и антиферромагнетизму) прибавился еще один, обусловленный не порядком магнитных моментов атомов, ионов или электронов (как, например, в кристаллах), а «жидким» поведением спинов — собственных, не связанных с движением в пространстве, моментов импульсов элементарных частиц.

Феномен спиновой жидкости был впервые теоретически предсказан в 1973 году лауреатом Нобелевской премии по физике Филипом Андерсоном.

С точки зрения классической физики и даже квантовой теории электромагнетизма спиновая жидкость — явление очень необычное, но поверять квантовомеханический мир (а лежащий в основе магнетизма спин имеет квантовую природу) привычными представлениями так же бесполезно, как мерить «Алису в Зазеркалье» категориями реалистичной прозы.

В отличие от классической, состоящей из молекул вещества жидкости, спиновая представляет собой совокупность находящихся в постоянном и неупорядоченном движении спинов элементарных частиц. Конечно, сравнение с жидкостью здесь условное и основано не на физическом сходстве феноменов, а на формальной аналогии, ведь в спиновой жидкости перемещаются не сами частицы, а их спины, или моменты импульсов.

Как такое возможно, ведь спин не связан с перемещением частицы в пространстве, а является ее внутренней квантовой характеристикой — ее собственным, не связанным с движением, моментом импульса?

Собственно, в этом и содержался смысл теоретического предсказания, описывающего новое магнитное состояние материи, которое характеризуется коллективным изменением — «перетеканием» — спинов. Это перетекание описывается с помощью виртуальных беззарядовых частиц — спинонов, ведущих себя как жидкость.

Несмотря на виртуальность (точнее, виртуальный способ описания), поведение спиновой жидкости может оказывать воздействие на измеряемые магнитные и прочие характеристики вещества, так как спин, хоть он и не связан с реальным вращением и перемещением частицы, порождает определенный магнитный момент. Но если магнитные моменты атомов, слагающих кристаллическую решетку ферромагнетиков, упорядочены, а в случае антиферромагнетика направлены противоположно, то в спиновой жидкости — третьем типе магнетизма — магнитная ориентация частиц не фиксирована, но постоянно изменяется, «течет», никогда не упорядочиваясь окончательно (хотя, согласно теории, группы упорядоченных магнитных моментов, «фрактальные магнитные узоры», в спиновой жидкости и возникают).

Долгое время спиновая жидкость была предметом исключительно теоретических спекуляций, и было непонятно даже, какие конкретно материалы могут продемонстрировать предсказанный феномен.

В конце 80-х годов прошлого века тот же Филип Андерсон предположил, что потенциальными кандидатами, демонстрирующими «жидкий спиновый магнетизм», могут быть антиферромагнетики (в антиферромагнетиках магнитные моменты отдельных частиц ориентированы не параллельно в одном направлении, а навстречу друг другу). Но только в последние несколько лет, используя новые подходы в моделировании (одна из моделей спиновой жидкости была, например, представлена в статье, опубликованной в прошлом году в Science) и мощные компьютеры, физики сумели сузить область поисков и остановились на цинксодержащем паратакамите (редкий минерал гербертсмитит), кристаллическая решетка которого напоминает узор японской плетенки — кагоме. Атомы меди гербертсмитита расположены в углах треугольников такой кагоме-решетки.

Гербертсмитит является антиферромагнетиком, и спины электронов в двух углах треугольников направлены в противоположные стороны — один вверх, другой вниз. В ситуации, когда магнитные моменты двух электронов являются фиксированными, электрон в третьем углу решетки оказывается аутсайдером. На языке физики конденсированных состояний (раздел физики, описывающий поведение сложных сред, в которых групповое поведение не сводимо к поведению отдельных частиц и описывается через виртуальные частицы) такие оказавшиеся вне строя электроны «фрустрируют», и их спины приобретают подвижность: кристалл сохраняет все свойства твердого вещества, но в магнитном отношении демонстрирует текучесть —

состояние, которое можно определить как еще одно магнитное состояние материи.

Исследовать гербертсмитит как потенциальный материал, демонстрирующий такое состояние, еще в 2007 году предложила группа из Массачусетского технологического института, руководимая Дэниэлом Носерой и Янгом Ли. Однако продемонстрировать жидкий спиновый магнетизм оказалось в техническом отношении делом очень непростым. Во-первых, для этого потребовалось вырастить достаточно большой и сверхчистый монокристалл паратакамита. Во-вторых, придумать надежный способ, каким можно детектировать в этом материале текучесть спинов.

Другая группа М.А. де Врие и Дж. Санчеса-Бенитеса, работающая в Эдинбургском университете, в 2008 году сообщила, что ей удалось детектировать спиновую жидкость, измеряя магнитную восприимчивость и тепловую емкость кристалла паратакамита. С их выводами согласились Василий Шагинян (Петербургский институт ядерной физики) и математик Константин Попов (Научный центр УрО РАН, Сыктывкар) в своей интерпретации экспериментальных данных, полученных в Эдинбурге.

Между тем для окончательного подтверждения гипотезы, предсказавшей новое магнитное состояние вещества, потребовалось еще четыре года, и окончательную точку в истории уловления «жидких спинов» поставила статья, опубликованная на этой неделе в Nature и подписанная Дэниэлом Носерой, Янгом Ли и их коллегами по МИТ.

Этой группе удалось первой изготовить большой кристалл гербертсмитита и, используя метод рассеивания нейтронов на атомах кристаллической решетки, продемонстрировать специфические эффекты магнитного поведения кристалла, подтверждающие, что магнитные моменты электронов в исследуемом образце «текут» и фрактализуются, то есть демонстрируют квантовое групповое поведение, формируя локальные намагниченные области.

О практическом применении «жидких спинов» говорить пока очень рано, но в перспективе открытие нового магнитного состояния вещества может сыграть большую роль в исследовании высокотемпературной сверхпроводимости и разработке компьютерных процессоров нового типа, использующих экзотические пока квантовые эффекты.